[發明專利]一種工業實時網絡中基于價格機制的多路徑負載均衡方法

有效

• 申請號: 201711150780.8
• 申請日: 2017-11-18
• 公開（公告）號: CN107959633B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 諸葛斌;蔡佳琪;王偉明;傅晗文;李向陽
• 申請（專利權）人: 浙江工商大學
• 主分類號: H04L12/801
• 分類號: H04L12/801;H04L12/803;H04L12/751;H04L12/729;H04L12/727;H04L12/721;H04L12/707
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種工業實時網絡中基于價格機制的多路徑負載均衡方法，具體為：RYU控制器發送數據包，感知網絡全局拓撲；利用OpenFlow協議實時監測帶寬、時延；通過KSP算法從可行路徑中計算出k條最短路徑作為備選路徑；對k條備選路徑進行鏈路評估，選出當前鏈路狀態最優的一條作為轉發路徑，次優的一條作為預留路徑；RYU控制器將當前網絡流的轉發策略下發給對應交換機的流表；RYU控制器實時監控鏈路狀態，當鏈路利用率大于閾值時，再次選擇除當前路徑以外的最優路徑實現重路由，并下發流表至交換機。本發明方法可提高網絡資源利用率、減少網絡擁塞，利用SDN控制器對數據中心整網進行監控，根據當前網絡實時狀況選擇轉發路徑，實現動態的多路徑負載均衡。

技術領域

本發明涉及工業網絡環境，具體涉及一種工業實時網絡中基于價格機制的多路徑負載均衡方法

背景技術

Internet實際上是在無數數據中心的支持下運轉的，數據中心、提供了Internet所必須的智能處理和信息存儲功能。經過幾十年的發展，數據中心己經成為像交通、能源一樣的經濟基礎設施。近年來，隨著虛擬化、云計算等新興技術的迅速發展，智能手機和4G網絡的普及，以及各行業對帶寬、流量的需求迅猛増長，數據中心市場正處于高速擴張中，2017年中國IDC整體市場規模預計將超過900億。根據中國IDC圈數據，未來幾年中國IDC市場規模將保持在每年30％+的增長速度，未來80％以上的網絡流量都將通過數據中心。

傳統網絡的工作方式是：網絡設備之間通過不同的協議各自獨立地學習整個網絡拓撲，根據不同的交互機制自行做出決策并轉發數據，當設備感知到網絡中節點發生變化時，將會各自重新建立鄰居關系，學習全局拓撲，并計算路由路徑。傳統網絡設備這種分散決策的方式一直沿用至今，但隨著網絡規模越來越大，傳統網絡架構本身存在著的某些局限性漸漸暴露出來，以下這些問題難以得到根本上的解決：

(1)運行維護的壓力不斷増大。數據中心包含了大量的交換機、路由器、防火墻、服務器等設備，這些網絡設備類型豐富多樣，操作方式各不相同，導致運維和管理復雜，版本更新、業務變更等變得困難，網絡管理員則難以對全局網絡進行實時地監控調整。

(2)各數據中心對設備的性能要求不斷提高。低級的設備承載高負荷的流量時，極容易造成丟包、時延大、CPU高等問題，影響了網絡性能。而購買更高配置的高級設備又大大増加了成本。

(3)網絡規模増大后，二層網絡的可靠性及擴展性等問題成為了新的瓶頸。為了防止單點故障，網絡中一般會存在大量的冗余備份，會產生大量的環路，造成廣播風暴等問題。傳統網絡中，二層網絡使用生成樹協議(Spanning Tree Protocol，STP)通過阻塞交換機端口來防止網絡環路問題，使得兩個節點之間只存在一條可行路徑。但是STP選出來的路徑未必是當前網絡狀態的最優路徑，且存在著收斂時間唱、根橋壓力大、浪費冗余鏈路資源等問題。

(4)傳統網絡設備所具備的功能都由廠商定義，管理員只能根據已有功能進行配置應用。傳統網絡中通常使用ACL及QoS等策略來進行流量管控，這些策略都是通過預先對流量運行進行假設，從而提前配置設備來達到既定效果。而實際網絡中業務流量瞬息萬變，預先設置的策略與現實復雜的網絡狀況常常不符，從而無法達到預期效果。

綜合以上問題得出，僅僅通過改善傳統網絡架構已經無法滿足人們對未來數據中心網絡的需求。近幾年來，SDN的出現與發展為解決數據中心的這些難題提供了可行的解決方案。SDN提出將網絡中控制平面和數據平面分離的理念，它通過集中的控制器來實現對整網設備的監控和管理，而下層設備只需要基本的轉發功能，大大地節約了設備及網絡維護的成本。

隨著近幾年SDN的迅速發展，研究人員對基于SDN的流量工程和負載均衡等方面不斷深入研究。主要的研究目標就是提高網絡資源利用率、減少擁塞，我們可以從三個方面進行改善；第一，提高整個網絡的鏈路帶寬利用率，改善路由算法；第二，降低算法時間復雜度，提高計算效率，降低CPU資源消耗；第三，實現更好的流量策略，比如實現多路徑負載均衡。